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Thermodynamics of snow metamorphism due to variations in curvature

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

S. C. Colbeck*
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

In the absence of imposed temperature gradients, the metamorphism of dry snow is dominated by the slow process of vapor diffusion between surfaces of different radii of curvature. This process is so slow in a seasonal snow cover (where temperatures normally change on the scale of hours or days) that vapor migration is usually dominated by the imposed temperature gradient. Thus radius of curvature contributes to but does not control metamorphism except for short periods in very fresh snow. As opposed to dry snow, liquid-saturated snow (i.e. pore space filled by the melt) is metamorphosed by heat flow arising from relatively large temperature differences among the particles. Grain growth in liquid-saturated snow is rapid because of the large temperature differences at nearly constant liquid pressure. In wet snow with low liquid content (2-5% by volume), grain growth is dominated by vapor diffusion (as in dry snow) so grain growth is much slower than under conditions of liquid saturation.

Résumé

Résumé

En l’absence de gradients de température imposés, la métamorphose de la neige séche est dominée par le processus lent de diffusion de vapeur entre les surfaces de différents rayons de courbure. Ce processus est si lent dans un couvert neigeux saisonnier (où les températures varient normalement à l’échelle des heures ou des jours) que la migration de vapeur est généralement dominée par le gradient thermique imposé. Par conséquent, le rayon de courbure contribue á la métamorphose mais ne la Contrôle pas excepté pour de courtes périodes dans la neige trés fraîche. Au contraire de la neige fraîche, la neige saturée d’eau (c‘est-á-dire dont les pores sont remplies d’eau de fusion) est transform par le flux de chaleur entrané par de relativement fortes differences de température entre les particules. La croissance des grains dans la neige saturée d‘eau liquide est rapide en raison de fortes différences de températures à des pressions de liquides à peu pres constantes. Dans la neige humide à faible teneur en can liquide (2 á 5% en volume), la croissance des grains est réglée par la diffusion de vapeur (comme dans la neige séche) si bien que la croissance des grains y est beaucoup plus lente que dans les conditions de saturation en liquide.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Beim Fehlen aufgeprägter Temperaturgradienten wild die Metamorphose trockerien Schnees durch den angsamen Prozess der Dampfdiffusion zwisehen Oberflächen mit verschiedcnen Krümmungsradien bewirkt. Dieser Prozess ist in der Schneedecke eines Jahres (wo die Temperaturen gewöhnlich innerhalb von Stunden Oder Tagen wechsehi) so langsam, dass die Dampfwanderung meist durch den aufgeprägten Temperaturgradienten gesteuert wird. So spielt der Krümmungsradius bei der Metamorphose cine nur untergeordnete Rolle, ausser in den kurzen Perioden nach Neuschneefall. Im Gegensatz zu trockenem Schnee wird wasscr-gesattigter Schnee (d.h. wenn die Poren mit Schmelzwasser gefüllt sind) durch Wärmefluss infolge der relativ grossen Temperaturunterschiede zwisehen den Partikeln umgebildet. Im wassergesättigtem Schnee wachsen die Körner infolge der hohen Temperaturdifferenzen bei annähernd konstantem Wasserdruck schnell. In feuchtem Schnee mit niedrigem Wassergehalt (2-5% des Volumens) wird das Kornwachstum durch die Dampfdiffusion (wie in trockenem Schnee) beherrscht; es geht daher viel langsamer vor sich als bei Wassersättigung.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © The Author(s) 1980 
Figure 0

Fig. 1. The temperature gradient arising from the sublimation of a branch of a snow-flake of given mean radius (the vapor sink is a fiat surface a distance of 1 mm from the sources)

Figure 1

Fig. 2. The basic unit of a three-grain cluster. The size of the liquid vein is determined by the size of the particle rp and the liquid-water content (after Colbeck (1979)).

Figure 2

Fig. 3. The basic unit of a two-grain bond. The radius of curvature of the shoulder r3 is about one-fifth that of the particle rp (after Colbeck (1979)).